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MOS管

mos管(guan)场效应管(guan)（FET），把输(shu)入电压(ya)的(de)(de)变(bian)化转(zhuan)化为输(shu)出(chu)电流的(de)(de)变(bian)化。FET的(de)(de)增益(yi)等(deng)于它的(de)(de)跨(kua)导， 定(ding)义为输(shu)出(chu)电流的(de)(de)变(bian)化和输(shu)入电压(ya)变(bian)化之比。市面(mian)上(shang)常(chang)有(you)的(de)(de)一般为N沟道(dao)和P沟道(dao)，详情参考右(you)侧(ce)图片（P沟道(dao)耗尽型MOS管(guan)）。而P沟道(dao)常(chang)见的(de)(de)为低压(ya)mos管(guan)。

一个电场在一个绝缘层(ceng)上来影响流(liu)过晶体(ti)(ti)(ti)管的(de)电流(liu)。事实上没有电流(liu)流(liu)过这个绝缘体(ti)(ti)(ti)，所(suo)以FET管的(de)GATE电流(liu)非常小(xiao)。最普通(tong)的(de)FET用一薄层(ceng)二(er)氧(yang)(yang)化硅来作为(wei)GATE极(ji)下的(de)绝缘体(ti)(ti)(ti)。这种晶体(ti)(ti)(ti)管称为(wei)金(jin)属氧(yang)(yang)化物半(ban)导(dao)体(ti)(ti)(ti)(MOS)晶体(ti)(ti)(ti)管，或,金(jin)属氧(yang)(yang)化物半(ban)导(dao)体(ti)(ti)(ti)场效(xiao)应(ying)管（MOSFET）。因为(wei)MOS管更小(xiao)更省电，所(suo)以他们已经在很多应(ying)用场合取代了双极(ji)型(xing)晶体(ti)(ti)(ti)管。

MOS管二级效应

MOS管的(de)二级效应(ying)(ying)主要有(you)三(san)种：背栅效应(ying)(ying)、沟道(dao)长度(du)调制(zhi)效应(ying)(ying)、亚阈(yu)值效应(ying)(ying)。

背栅效应

在很(hen)多情况下，源(yuan)极(ji)和衬(chen)(chen)底的(de)(de)电(dian)(dian)位(wei)并不相(xiang)同(tong)。对(dui)NMOS管而言，衬(chen)(chen)底通常接电(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)最(zui)低电(dian)(dian)位(wei)，有(you)VBS≤0；对(dui)PMOS管而言，衬(chen)(chen)底通常接电(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)最(zui)高电(dian)(dian)位(wei)，有(you)VBS≥0。这时，MOS管的(de)(de)阈值电(dian)(dian)压将随(sui)其源(yuan)极(ji)和衬(chen)(chen)底之(zhi)间电(dian)(dian)位(wei)的(de)(de)不同(tong)而发生变化(hua)。这一效(xiao)应称(cheng)为“背栅效(xiao)应”。

以NMOS管(guan)(guan)为例，当NMOS管(guan)(guan)VBS<0时(shi)，阈(yu)(yu)值电(dian)(dian)(dian)压的(de)变化(hua)规律。随着(zhe)VGS上升，栅极吸(xi)引(yin)衬(chen)(chen)底(di)内部的(de)电(dian)(dian)(dian)子向衬(chen)(chen)底(di)表(biao)面运(yun)动，并在(zai)衬(chen)(chen)底(di)表(biao)面产生了耗(hao)尽层。当VGS上升到一定(ding)的(de)电(dian)(dian)(dian)压——阈(yu)(yu)值电(dian)(dian)(dian)压时(shi)，栅极下的(de)衬(chen)(chen)底(di)表(biao)面发生反型，NMOS管(guan)(guan)在(zai)源漏(lou)之间开始导电(dian)(dian)(dian)。

阈(yu)值(zhi)电(dian)压的(de)(de)大小(xiao)(xiao)和耗(hao)尽层(ceng)的(de)(de)电(dian)荷量(liang)有关，耗(hao)尽层(ceng)的(de)(de)电(dian)荷量(liang)越(yue)多，NMOS管的(de)(de)开启(qi)就越(yue)困难，阈(yu)值(zhi)电(dian)压——也就是开启(qi)NMOS需要的(de)(de)电(dian)压就越(yue)高。当VBS<0时，栅极(ji)和衬底之间(jian)的(de)(de)电(dian)位差加大，耗(hao)尽层(ceng)的(de)(de)厚(hou)度也变(bian)大，耗(hao)尽层(ceng)内的(de)(de)电(dian)荷量(liang)增加，所(suo)以(yi)造(zao)成(cheng)阈(yu)值(zhi)电(dian)压变(bian)大。随着VBS变(bian)小(xiao)(xiao)，阈(yu)值(zhi)电(dian)压上升，在VGS和VDS不变(bian)的(de)(de)情况下(xia)，漏极(ji)电(dian)流(liu)变(bian)小(xiao)(xiao)。因而衬底和栅极(ji)的(de)(de)作用(yong)类似，也能控制(zhi)漏极(ji)电(dian)流(liu)的(de)(de)变(bian)化。所(suo)以(yi)我们称它为“背(bei)栅”作用(yong)。

在电(dian)路设计上(shang)可(ke)采取一些措施(shi)来减弱或(huo)消(xiao)除衬(chen)(chen)偏(pian)效应，例如把源(yuan)(yuan)极和(he)衬(chen)(chen)底短(duan)接起来，当然可(ke)以(yi)(yi)消(xiao)除衬(chen)(chen)偏(pian)效应的(de)影响，但是(shi)这需(xu)要电(dian)路和(he)器件结构(gou)以(yi)(yi)及制造工艺的(de)支持，并不(bu)是(shi)在任何情况下都能够做得(de)到的(de)。例如，对于(yu)p阱CMOS器件，其中(zhong)的(de)n-MOSFET可(ke)以(yi)(yi)进行(xing)源(yuan)(yuan)-衬(chen)(chen)底短(duan)接，而其中(zhong)的(de)p-MOSFET则否(fou)；对于(yu)n阱CMOS器件，其中(zhong)的(de)p-MOSFET可(ke)以(yi)(yi)进行(xing)源(yuan)(yuan)-衬(chen)(chen)底短(duan)接，而其中(zhong)的(de)n-MOSFET则否(fou)。

另外可以改进电(dian)路结构来减弱衬(chen)偏效(xiao)应(ying)。例如(ru)，对(dui)于CMOS中的(de)(de)负(fu)(fu)载(zai)管(guan)(guan)，若(ruo)采用有(you)源负(fu)(fu)载(zai)来代替之(zhi)，即(ji)可降低(di)衬(chen)偏调制效(xiao)应(ying)的(de)(de)影响（因为当衬(chen)偏效(xiao)应(ying)使(shi)负(fu)(fu)载(zai)管(guan)(guan)的(de)(de)沟(gou)道电(dian)阻增(zeng)大(da)时,有(you)源负(fu)(fu)载(zai)即(ji)提高负(fu)(fu)载(zai)管(guan)(guan)的(de)(de)VGS来使(shi)得负(fu)(fu)载(zai)管(guan)(guan)的(de)(de)导电(dian)能力增(zeng)强(qiang)）。

沟道长度调制效应

MOS晶体管中,栅(zha)下沟道预夹(jia)(jia)断(duan)后、若继续增(zeng)大Vds，夹(jia)(jia)断(duan)点(dian)会略(lve)向源极方向移动。导致(zhi)夹(jia)(jia)断(duan)点(dian)到源极之间的(de)沟道长度略(lve)有(you)减小(xiao)，有(you)效沟道电阻(zu)也就(jiu)略(lve)有(you)减小(xiao)，从(cong)而使更多电子(zi)自源极漂移到夹(jia)(jia)断(duan)点(dian)，导致(zhi)在耗尽区(qu)漂移电子(zi)增(zeng)多,使Id增(zeng)大，这(zhei)种效应称为沟道长度调制效应。

当MOS管工作在饱和区，导电沟道产生夹断，沟道的长度从L变成了L’，L’

此时电流公式改写为(wei)：

我们(men)采(cai)用一(yi)个简(jian)单(dan)的(de)参数λ来表示VDS对(dui)漏极电流(liu)ID的(de)影响，定义：

由此可以得(de)到(dao)考(kao)虑了沟道长度调制效应的MOS管饱和区(qu)的电流公式：

由(you)于(yu)(yu)λ∝1/L，对于(yu)(yu)长(zhang)沟(gou)(gou)道的器(qi)件(jian)而言(yan)（例如L>10um）， λ的数(shu)值很小(xiao)，λVDS<<1，所(suo)以这(zhei)个误差可(ke)以忽(hu)略。而沟(gou)(gou)道越短，这(zhei)个误差就越大。事实上，对于(yu)(yu)短沟(gou)(gou)道的MOS管，用一个简单的参数(shu)λ来(lai)体现沟(gou)(gou)道长(zhang)度调制效应是非(fei)常不准确的。因而我们有时会发现，电(dian)路

电路仿真的结果和用公式计算出来的结果完全不同。所以说一阶的近似公式更主要的是起到电路设计的指导作用。

亚阈值效应

在前面对MOS管导电原理的分析中，我们认为当栅源电压VGSVTH，沟道内就出现了电流。而实际情况并不是这样。即使在VGS

来表示。其中ID0是和工艺有关的参数，η是亚阈值斜率因子，通常满足1<η<3。当VGS满足的条件时，一般认为MOS管进入了亚阈值区域.

当时，称MOS管工作在强反型区。

当时，时称MOS管工作在强反型区。

强反型(xing)区(qu)和(he)(he)弱(ruo)反型(xing)区(qu)的划分其实也是(shi)(shi)对MOS管(guan)实际工作特定(ding)的一(yi)种近(jin)似，只是(shi)(shi)它比前面讲到的MOS管(guan)的一(yi)阶近(jin)似更加准确(que)。从公式上分析，强反型(xing)区(qu)和(he)(he)弱(ruo)反型(xing)区(qu)之间同样存(cun)在(zai)着电流不连(lian)续的问题(ti)。为了(le)(le)解决这一(yi)问题(ti)，也是(shi)(shi)为了(le)(le)建立更精确(que)的MOS管(guan)模型(xing)，在(zai)这两个区(qu)之间又定(ding)义了(le)(le)中等反型(xing)区(qu)。

对于斜率因子η的(de)(de)解释要(yao)从(cong)MOS管的(de)(de)电(dian)流(liu)变(bian)化讲(jiang)起。表(biao)征亚(ya)阈值特性的(de)(de)一个重要(yao)参数是(shi)栅极电(dian)压的(de)(de)变(bian)化幅(fu)度，也就是(shi)MOS管从(cong)电(dian)流(liu)导通到电(dian)流(liu)截(jie)止时所(suo)需要(yao)的(de)(de)栅极电(dian)压的(de)(de)变(bian)化量(liang)(liang)。这一特性用亚(ya)阈值斜率S来表(biao)示。S定义为亚(ya)阈值电(dian)流(liu)每变(bian)化10倍(bei)（一个数量(liang)(liang)级）所(suo)要(yao)求(qiu)栅极电(dian)压的(de)(de)变(bian)化量(liang)(liang)。S越(yue)小意味着MOS管的(de)(de)关断性能越(yue)好。

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